[發(fā)明專(zhuān)利]一種高熱電性能的鎳摻雜Cu-S基熱電材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910095732.6
• 申請(qǐng)日: 2019-01-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109904305A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-06-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 苗蕾;沈緋紅;鄭巖巖;劉呈燕
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 桂林電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H01L35/16
• 分類(lèi)號(hào): H01L35/16;H01L35/34;C01G3/12
• 代理公司: 廣州科粵專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44001
• 代理人: 蔣歡妹;莫瑤江

本發(fā)明公開(kāi)了一種高熱電性能的鎳摻雜Cu_1.9S基熱電材料及其制備方法，所述熱電材料的原料組成為Cu_1.9?xNi_xS，其中x代表原子百分比，x＝0～0.06，原料來(lái)源豐富，成本低廉，制備流程簡(jiǎn)單，得到的塊體材料熱電性能高，可重復(fù)性高，機(jī)械強(qiáng)度較好的優(yōu)點(diǎn)，基本解決了傳統(tǒng)固相封管熔融反應(yīng)中所需時(shí)間長(zhǎng)，封管條件苛刻，硫元素易損失，高能球磨價(jià)格昂貴等問(wèn)題。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及新能源材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高熱電性能的鎳摻雜Cu_1.9S基熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤、石油、天然氣等化石能源被大量消耗，能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題在21世紀(jì)的今天日趨嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在人類(lèi)能源利用過(guò)程中，大約2/3是以廢熱的形式擴(kuò)散到了環(huán)境中，顯然，如何能夠有效回收利用這部分巨大的低品質(zhì)熱能，提高整個(gè)能源利用效率，對(duì)于人類(lèi)發(fā)展具有舉足輕重的意義。

熱電材料作為一種新型的新能源材料，它通過(guò)材料之間的溫度差或者電勢(shì)差，直接實(shí)現(xiàn)熱能和電能之間的轉(zhuǎn)化。由于熱電器件具有自主供能、發(fā)電效率不受熱電模塊尺寸的影響，體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、各部件無(wú)需作機(jī)械運(yùn)動(dòng)，對(duì)環(huán)境不會(huì)造成污染等優(yōu)點(diǎn)，因此它在空間探索、地質(zhì)勘探、工業(yè)廢熱回收等方面有極其重要的應(yīng)用。除此以外，熱電材料還廣泛應(yīng)用于溫差電制冷方面，例如小型酒柜、低溫醫(yī)療器械、各種電子元器件的恒溫保持。

熱電優(yōu)值(ZT)作為衡量熱電材料性能高低的參數(shù)，可由公式ZT＝S²σT/κ得出。其中S、σ、T、κ分別代表材料的Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、絕對(duì)溫度以及熱導(dǎo)率。由于S、σ、κ這三者相互耦合，單獨(dú)調(diào)控其中一種參數(shù)都將導(dǎo)致其他參數(shù)非協(xié)同性的變化。致使很長(zhǎng)一段時(shí)間里熱電材料的ZT值一直維持在1附近，難以得到有效提高。雖然熱電材料發(fā)展迅速，但是當(dāng)前大量應(yīng)用于商業(yè)化的熱電材料主要為PbTe、Bi₂Te₃基熱電材料。由于Te元素在地殼中含量稀少以及Pb元素具有毒性，合成過(guò)程復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此嚴(yán)重限制了熱電材料的商業(yè)化應(yīng)用。

Cu-S基熱電材料具有原料來(lái)源廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉，毒性較小，在中高溫時(shí)熱導(dǎo)率普遍低于0.7W/mK的優(yōu)點(diǎn)。但是Cu-S基熱電材料作為一種“超離子導(dǎo)體”材料，銅離子會(huì)在硫族元素構(gòu)成的框架中快速遷移，使材料具有較大的電導(dǎo)率。此外，硫族元素極易揮發(fā)。這些因素對(duì)材料的電學(xué)性能以及熱學(xué)性能都造成了巨大影響。Cu-S基熱電材料雖然在近幾年中獲得了巨大的發(fā)展，但是大部分研究人員都專(zhuān)注于Cu/S族原子比為1.8和2.0的Cu_xS基熱電材料的研究。例如，專(zhuān)利(ZL 201810167410.3)提出了通過(guò)引入In₂S₃至Cu_1.8S中，使得In取代Cu_1.8S中的Cu⁺后導(dǎo)致載流子濃度下降，有效提升Seebeck系數(shù)。離子半徑更大的In³⁺占據(jù)了Cu⁺位置破壞晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性從而降低聲子的平均自由程，增強(qiáng)短波聲子的散射，進(jìn)而降低晶格熱導(dǎo)，但熱電性能仍需進(jìn)一步提高。除此以外，In作為稀土元素，含量少，價(jià)格昂貴，具有一定的放射性，很大程度上限制了其使用。

Cu/S族原子比為1.9的Cu_1.9S基熱電材料的研究目前沒(méi)有文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的是提供一種高熱電性能的鎳摻雜Cu_1.9S基熱電材料及其制備方法，基本解決了傳統(tǒng)固相封管熔融反應(yīng)中所需時(shí)間長(zhǎng)，封管條件苛刻，硫元素易損失，高能球磨價(jià)格昂貴等問(wèn)題。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：